某兆瓦级氢能综合利用站消防水系统设计

毕丽敏

（安徽省建筑设计研究院总院股份有限公司， 合肥 230092）

1 工程概况

某兆瓦级氢能综合利用站采用纯水电解制氢（PEM）制备氢气经氢燃料电池发电。 建有纯水电解制氢车间、 燃料电池发电车间、 配电综合楼等子项。 目前项目首台燃料电池发电机组成功并网发电， 标志着国内首座兆瓦级PEM、 储氢及氢燃料电池发电系统首次实现全链条贯通［1］。 通过PEM技术将波谷时过剩的电力转化为氢能储存起来， 在用电高峰时再经氢燃料电池发电将氢能转变成电能并入电网使用， 将氢能技术用于储能技术来替代火力发电调峰措施， 助力碳达峰碳中和， 具有典型示范价值［2］。

本项目制氢及发电系统主要由氢气供应系统（制氢系统和压缩储氢系统）、 燃料电池电堆和配套的空气供应系统、 冷却塔（水热管理系统）和电气及自动控制系统等组成。 水电解制氢系统产生的氧气不做回收直接排入大气。

2 消防设计主要原则

本项目是国内第1 个兆瓦级氢能源储能电站，在本站内能够实现制氢、 储氢、 售氢、 氢能发电等多种功能［2］， 对于此类项目既无针对性的消防设计规范， 又无可借鉴工程设计案例， 采用何种规范、如何把握成了关键的问题。 依据“以水灭火为主，化学灭火为辅及其他方式灭火相结合”制定了本项目消防设计遵循的规范及基本原则， 确定本项目参照GB 50177—2005《氢气站设计规范》、 DL 5027—2015《电力设备典型消防规程》、 GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》、 GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）等现行规范规程进行设计、 施工图审查。

3 消防技术措施

本工程主要危险介质为氢气， 主要工艺为制氢、储氢、 发电， 结合工程特点， 应重点防范氢气在生产、 输送和储存过程中发生泄漏后遇到点火源产生火灾爆炸的事故， 以及电气设备系统中人身伤害和设备事故造成人员伤亡及系统火灾事故的发生。

3.1 防火防爆设计

氢气与空气混合能形成爆炸性混合物， 遇热或明火即会发生爆炸， 因此在工程设计及运行中应采取“预防为主， 防消结合”的消防设计原则， 从设计源头做到本质安全， 工程设计中从总图布置、 工艺设计、 电气电信、 建筑等专业均采用防火防爆的设计， 防止运行中发生火灾及爆炸的事故。

3.1.1 总平面布置

站区新建生产车间、 高压氢气罐区、 冷却塔、配电综合楼等。 生产车间内布置有PEM 单元（制氢装置、 制氢辅助车间）、 燃料电池发电单元（燃料电池堆、 发电辅助系统）、 变配电系统等单元。 总平面布置严格按照GB 50177—2005、 GB 50016—2014（2018 年版）等相关条款执行。

高压氢气储罐区及生产车间布置在站区的西北侧， 配电综合楼布置在站区的南侧， 高压氢气储罐区到围墙的最小距离5.5 m。 主生产车间、 罐区四周建有宽4 m， 转弯半径9 m 的环形消防通道， 主要生产区域四周建有2.5 m 高的实体围墙与配电综合楼进行分隔。 配电综合楼前宽6 m 的道路， 楼的其他3 面建有2.3 m 高的栅栏围墙。 总平面布置如图1 所示。

图1 总平面布置Fig. 1 General layout

3.1.2 工艺设计

本项目配套1 套氮气吹扫系统， 用以保护氢气安全使用和储存。 氢气储罐上或其进气／出气管第1 个切断阀前设置泄压用安全阀。 氢气压缩机分级设置安全阀， 且安全阀设有防护罩， 排出的氢气接至室外。 氢气压缩机的进气管设有低压超限报警装置、 停机联锁。

水电解制氢系统的氢气排空口前设有阻火器，防止雷击等外部火源返回引起氢气着火。 阻火器安装在靠近氢气排空口处。 阻火器后的氢气管道采用不锈钢管材。 冷却水管路设有断水保护装置， 并设置报警和停机联锁。 水电解制氢系统设置必要的自控及监测装置： 压力传感器、 温度传感器、 气体浓度探测器。 同时能满足报警后自动停车。

3.1.3 建（构）筑物消防设计

站内主要建筑物中， 生产车间为耐火等级为二级的甲类建筑物， 配电综合楼为耐火等级为二级的丙类建筑物。 各建（构）筑物构件的燃烧性能和耐火极限均按GB 50016—2014（2018 年版）的要求进行设计。 配电综合楼的室内装修均采用不燃和难燃材料。 生产车间内有爆炸危险性房间设置防爆墙。 对于有氢气存在的爆炸危险性房间， 如制氢车间及燃料电池发电车间等设置了防爆泄压设施。 生产车间内的控制室， 采用耐火极限不低于3.0 h 的防火隔墙与其他部位分隔。 站内的电解纯化间、 工艺集装间、 电源电气间等房间的门均朝疏散方向开启或朝向公共走道， 采用防火门。 室内装修均采用不燃和难燃材料。

3.1.4 电气的防雷及防静电设计

站内设置2 根独立避雷针， 建筑物四周埋设环形接地网。 氢气储罐设置2 处防雷接地［3］， 使用镀锌扁铁与接地极相连。 氢气管道的每对法兰间设置导线跨接。 氢气储罐区和生产车间入口处设置防爆型人体静电导除装置。 在防爆区域的电气设备及灯具采用防爆电机， 制氢车间及发电车间采用防爆灯具。

3.1.5 火灾自动报警系统

本工程设置1 套火灾自动报警系统， 系统由智能光电烟感探测器、 智能红外对射烟感探测器、线形定温电缆， 手动报警按钮、 声光讯响器等部分组成。 氢燃料电池发电车间、 制氢车间设置氢气浓度探测装置， 事故风机与氢气浓度探测装置联锁［3］， 当探测的氢气浓度达到0.4% 时， 开启事故通风机。 各建筑物、 电缆设施均布置了火灾探测报警系统。

电解变压器间布置有变压器等电器设备， 配电、 逆变室布置有逆变器、 配电柜等电器设备， 电容器间布置有电容器等电器设备， 散热量较大， 室内设计自然进风机械排风系统排除室内余热， 进风采用双层铝合金百叶窗， 排风采用屋顶风机， 通风量按排除室内余热所需的风量确定， 同时不小于12 次／时的换气次数。 风机与消防报警系统联锁，火灾时自动停机。 发电、 制氢电子设备间室内的设备对室内温度有一定要求， 室内设置空调， 空调采用风冷热泵型柜式空调机。 空调机与消防报警系统联锁， 火灾时自动停机。

3.2 总体消防水设计

3.2.1 室内外消防水设计

本项目消防水源采用市政供水， 供水水压为0.25 MPa， 从市政给水管网上引入2 根DN 150 给水管。 本项目室外消防设计流量为25 L／s， 所需压力不大于0.25 MPa， 室内消防设计流量为10 L／s，所需压力大于0.25 MPa。 市政供水压力能满足站区室外消防水量及消防压力的要求， 但不能满足室内消防压力的要求， 因此本项目水消防系统分为室内、 室外2 个系统。

室外消防水系统由市政管网直接供给， 引入的2 根DN 150 给水管在站区内形成环状消防给水管网， 环状管网上设置SQS150－1.0 室外地上式消火栓， 间距不超过60 m， 距道路边不大于2.0 m， 距建筑物不小于5.0 m。

室内消防设置独立的消火栓给水系统， 室内消火栓设计流量为10 L／s， 火灾持续时间为3.0 h，一次灭火最大消防水量为108 m3， 1 套地上式箱泵一体化消防泵站和1 套屋顶消防水箱（含稳压设备）供给室内消火栓用水。 箱泵一体化消防泵站参数：有效容积108 m3不锈钢水箱； 2 台消火栓泵（1 用1备）， 单泵参数Q ＝10 L／s， H ＝50 m， N ＝15 kW。屋顶消防水箱（含稳压设备）设备： 有效容积12 m3不锈钢水箱； 2 台消防稳压泵（1 用1 备）， 单泵参数Q ＝2.0 L／s， H ＝25 m， N ＝1.5 kW； 1 只稳压罐， 调节容积300 L。

站内的建（构）筑物主要有配电综合楼、 生产车间、 高压氢气储罐。 根据GB 50016—2014（2018年版）和GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》规定， 配电综合楼和生产车间内设置室内消火栓灭火系统。 生产车间的氢气压缩机房、 燃料电池间、 发电制氢电子设备间等位置的消火栓均设置水雾两用枪。

3.2.2 高压氢气储罐区消防水设计

储罐区设有高压氢气储罐4 个， 每个气瓶容积2.25 m3， 储氢量为1 800 Nm3， 储罐压力为20 MPa， 温度为－40 ～60 ℃。 氢气与空气混合能形成爆炸性混合物， 遇热或明火即会发生爆炸， 因此氢气的灭火方法首先是切断气源。 在发生火灾初期，及时切断气源的同时对储罐进行水雾冷却， 建议室外的高压氢气罐区设置冷却用的移动式水雾枪。 因此在高压氢气储罐周围加密增设了室外消火栓， 同时配置水雾枪用以火灾发生初期对储罐冷却降温，防止温度升高引起爆炸。

3.3 建筑灭火器配置

为及时有效扑救初期火灾， 站内各建筑物按DL 5027—2015 和GB 50140—2005《建筑灭火器配置设计规范》等相关规范要求配置移动式灭火器。

磷酸铵盐干粉灭火剂由无机盐和粉碎干燥的添加剂组成， 灭火后干粉颗粒会附着在电气设备及各类精细元件上， 导致设施难以继续使用， 故选用二氧化碳灭火器。

电解纯化间和工艺集装间按E（A）类严重危险级配置， 电源电气间、 电解控制间等房间按E（A）类中危险级配置。

4 结语

根据国家发改委、 国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》， 到2025年会形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，有序推进氢能基础设施建设， 强化氢能基础设施安全管理， 构建安全、 稳定、 高效的氢能供应网络。氢能产业会蓬勃发展， 越来越多的氢能综合利用项目会投入建设， 期望本项目消防系统设计经验能为工程设计人员提供借鉴。

根据消防设计咨询会专家组意见， 确定了设计参照的消防规范规程， 在PEM 单元、 制氢装置、 制氢辅助车间配置二氧化碳灭火器， 消火栓配置了水雾两用枪。 对室外的高压氢气罐区采用移动式水雾枪冷却方式。 同时， 从射程和使用便捷性角度考虑，建议氢气储罐区在有条件情况下采用水雾两用遥控水炮。